Nuevo dispositivo purifica el agua salada más de 1000 veces más rápido que los equipos industriales estándar

El futuro de la desalinización: usar una membrana tipo teflón para purificar el agua

La escasez de agua es un problema creciente en todo el mundo. Solo en África, se estima que alrededor de 230 millones de personas enfrentarán escasez de agua para 2025, incluidos hasta 460 millones que viven en regiones con escasez de agua.

El agua cubre el 70% de la Tierra, por lo que es fácil suponer que siempre será abundante. Sin embargo, el agua dulce es muy escasa. Las plantas desalinizadoras son una tecnología diseñada para ayudar a producir más agua dulce. La desalinización del agua es el proceso de eliminar la sal del agua de mar para producir agua dulce que puede ser tratada y utilizada de manera segura. Una planta desaladora transforma aproximadamente la mitad del agua que recibe en agua potable.

Aunque la desalinización de agua de mar es un medio bien establecido para producir agua potable, tiene un alto costo de energía. Los investigadores han filtrado con éxito la sal del agua por primera vez utilizando nanoestructuras a base de flúor. Estos nanocanales fluorados son más eficientes que las tecnologías de desalinización convencionales porque funcionan más rápido, usan menos presión, proporcionan un filtro más eficiente y consumen menos energía.

Probablemente haya visto cómo los ingredientes húmedos se deslizan sin esfuerzo por una sartén antiadherente recubierta de teflón si alguna vez ha usado una. El fluoruro, un ingrediente liviano que es inherentemente repelente al agua o hidrofóbico, es un componente crucial del teflón. El teflón también se puede usar para mejorar el flujo de agua al revestir las tuberías. El profesor asociado Yoshimitsu Itoh del Departamento de Química y Biotecnología de la Universidad de Tokio, así como sus colegas, estaban desconcertados por este comportamiento. Por lo tanto, se inspiraron para estudiar cómo las tuberías o canales de flúor pueden operar a una escala diferente, la escala nanométrica.

Reducir los costos de energía y, por lo tanto, los costos financieros, así como mejorar la simplicidad de la desalinización del agua, podría ayudar a las comunidades de todo el mundo con acceso limitado al agua potable. Crédito: 2022 Itoh et al.

“Teníamos curiosidad por ver qué tan efectivo podría ser un nanocanal fluorado para filtrar selectivamente diferentes compuestos, especialmente agua y sal. Y, después de ejecutar complejas simulaciones por computadora, decidimos que valía la pena el tiempo y el esfuerzo para crear una muestra de trabajo”, dijo Itoh. “Actualmente hay dos formas principales de desalinizar el agua: térmicamente, usando calor para evaporar el agua de mar para que se condense en agua pura, o por ósmosis inversa, que usa presión para forzar el agua a través de una membrana que bloquea la sal. Ambos métodos requieren mucha energía, pero nuestras pruebas sugieren que los nanocanales fluorados requieren poca energía y también tienen otras ventajas.

Los investigadores desarrollaron membranas de filtración de prueba mediante la fabricación química de anillos de flúor nanoscópicos que se apilaron e implantaron en una capa lipídica impenetrable, similar a las moléculas orgánicas que se encuentran en las paredes celulares. Desarrollaron varias muestras de prueba con nanoanillos que varían en tamaño de 1 a 2 nanómetros. Un cabello humano tiene casi 100,000 nanómetros de ancho para comparar. Itoh y sus colegas evaluaron la presencia de iones de cloro, uno de los principales componentes de la sal (el otro es el sodio), en cada lado de la membrana de prueba para determinar la efectividad de sus membranas.

«Fue muy emocionante ver los resultados de primera mano. El más pequeño de nuestros canales de prueba rechazó perfectamente las moléculas de sal entrantes, y los canales más grandes también fueron una mejora con respecto a otras técnicas de desalinización e incluso filtros de nanotubos de carbono», dijo Itoh. La sorpresa para mí fue lo rápido que sucedió el proceso. Nuestra muestra corrió varios miles de veces más rápido que los dispositivos industriales típicos y unas 2400 veces más rápido que los dispositivos experimentales de desalinización basados ​​en nanotubos de carbono.

Como el flúor es eléctricamente negativo, repele los iones negativos como el cloro que se encuentra en la sal. Pero un beneficio adicional de esta negatividad es que también descompone los llamados grupos de agua, básicamente grupos de moléculas de agua débilmente unidas, para que se muevan a través de los canales más rápido. Las membranas de desalinización de agua a base de flúor del equipo son más eficientes, más rápidas, requieren menos energía para funcionar y también están diseñadas para ser muy fáciles de usar, entonces, ¿cuál es el problema?

“En este momento, la forma en que sintetizamos nuestros materiales es en sí misma relativamente intensiva en energía; sin embargo, esto es algo que esperamos mejorar en futuras investigaciones. Y, dada la longevidad de las membranas y sus bajos costos operativos, los costos generales de energía serán mucho más bajos que con los métodos actuales”, dijo Itoh. “Otros pasos que queremos tomar son, por supuesto, aumentar la escala. Nuestras muestras de prueba eran nanocanales individuales, pero con la ayuda de otros especialistas, esperamos crear una membrana de alrededor de 1 metro de diámetro en varios años. Junto con estos problemas de fabricación, también estamos explorando si se podrían usar membranas similares para reducir el dióxido de carbono u otros desechos no deseados emitidos por la industria.

Referencia: «Permeación de agua ultrarrápida a través de nanocanales con una superficie interior densamente fluorada» por Yoshimitsu Itoh, Shuo Chen, Ryota Hirahara, Takeshi Konda, Tsubasa Aoki, Takumi Ueda, Ichio Shimada, James J. Cannon, Cheng Shao, Junichiro Shiomi, Kazuhito V Tabata, Hiroyuki Noji, Kohei Sato y Takuzo Aida, 12 de mayo de 2022, La ciencia.
DOI: 10.1126/ciencia.abd0966